KR100572690B1 - 도파관 안테나를 이용한 능동 위상 배열 안테나 시스템 - Google Patents

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

본 발명은, 도파관 안테나를 이용한 능동 위상 배열 안테나 시스템에 관한 것임.

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

본 발명은, 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 배열 안테나를 구성하는 다수의 도파관 안테나에 위성천이기를 포함하는 능동모듈을 적용함으로서, 이동체 내에서 정확하고 신속한 빔 조향과 함께, 배열 안테나를 구성하는 각각의 도파관 안테나를 수평면 상에서 임의의 각도로 기울여 배치하는 소파(Sofa)구조를 적용함으로서, 동일평면상에 배치된 여타의 안테나 시스템에 비하여, 빔이 위성을 조향하도록 설계하는데 따르는 기술적인 어려움을 제거함으로서, 안테나 시스템의 전기적인 품질향상 이외에도, 시스템 설계에 있어서의 편리를 도모할 수 있는 도파관 안테나를 이용한 능동 위상 배열 안테나 시스템을 제공하는데 그 목적이 있음.

3. 발명의 해결방법의 요지

본 발명은, 이동체 내에서 정확하고 신속하게 위성 신호를 추적하고 빔조향을 제어하기 위하여, 다수의 도파관 안테나를 급전하기 위한 급전부와 송수신 능동모듈을 구비하는 도파관 안테나를 이용한 능동 위상 배열 안테나 시스템에 있어서, 상기 송수신 능동모듈은 신호 전력의 위상을 조절하기 위한 위상천이 수단을 포함 하되, 상기 다수의 도파관 안테나는 수평면 상에서 소정의 각도만큼 기울어져 배치되어 있는 것을 특징으로 함.

4. 발명의 중요한 용도

본 발명은 위성방송 수신 및 위성 통신에 이용됨.

도파관 안테나, 위상천이기, 능동모듈, 위상배열, 위성방송, 위성통신

Description

도파관 안테나를 이용한 능동 위상 배열 안테나 시스템{Active Phased Array Antenna System Using Waveguide Antennas}

도 1은 일반적인 도파관 안테나의 일예 구성도,

도 2는 상기 도 1의 도파관 안테나를 방사부로 적용한 안테나 시스템의 일예,

도 3은 본 발명에 따른 도파관 안테나를 이용한 능동 위상 배열 안테나 시스템의 일실시예 구조도,

도 4는 상기 도 3의 도파관 안테나의 구조를 설명하기 위한 일실시예 측면도,

도 5는 상기 도 3의 도파관 안테나의 급전부를 설명하기 위한 일실시예 사시도,

도 6은 상기 도 3의 안테나 시스템에서 단위 배열로 사용된 도파관 안테나의 개별적인 위치에 따라서 발생되는 주파수 스캐닝 영향(Frequency Scanning Effect)에 대한 보상 개념을 설명하기 위한 일예시도,

도 7은 상기 도 3의 구조를 갖는 안테나 시스템의 일실시예 평면도,

도 8은 상기 도 7의 일실시예 측면도,

도 9는 본 발명에 따른 도파관 안테나를 이용한 능동 위상 배열 안테나 시스템의 앙각 방향에 대한 전자적 빔조향제어를 설명하기 위한 일실시예 개념도,

도 10은 본 발명에 따른 도파관 안테나를 이용한 능동 위상 배열 안테나 시스템의 방위각 방향에 대한 기계적 빔조향제어를 설명하기 위한 일실시예 개념도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

301 : 도파관 안테나 302 : 슬롯

303 : 지지대 304 : 회전판

305 : 급전부 306 : 동축케이블

307 : 송신채널용 대역통과필터 308 : 수신채널용 대역통과필터

309 : 송신채널용 위상천이기 310 : 수신채널용 위상천이기

311 : 송신 능동채널블록 312 : 수신 능동채널블록

313 : 송수신 능동모듈 314 : 빔성형 네트워크 및 제어부

801 : 고정판 802 : 회전모터

803 : 동축/전원 케이블

본 발명은 도파관 안테나를 이용한 위성방송 및 통신용 반전자식 능동 위상 배열 안테나시스템에 관한 것으로, 특히 이동체(Mobile Vehicle)에 탑재된 상태에서, 이동체의 움직임에 따라 위성신호를 추적하고, 이동체 내에서 자유로운 방송 수신 및 통신을 가능하게 하기 위한 도파관 안테나를 이용한 능동 위상 배열 안테나 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 마이크로스트립 안테나를 이용한 위상배열안테나는 소형 및 경량 등의 장점으로 인하여 널리 적용되어 왔다. 그러나, 근래에 대중화되고 있는 위성통신의 경우, 점차 고주파대역을 이용하고 있는 추세와 함께, 고주파대역에서 발생되는 방사부 전력손실 등의 이유로 높은 송신전력이 요구되고 있으며, 이러한 전기적인 요구조건으로 인하여 그 활용폭이 제한되고 있다. 또한, 육상 이외에도, 해상 및 항공부분의 열악한 환경요인을 만족시키기 위해서는 보다 견고한 안테나구조의 도입이 필요하며, 이러한 이유로, 전술한 내용을 충족하는 도파관 안테나의 적용기술이 꾸준히 제안되어 왔다.

도 1은 일반적인 도파관 안테나의 일예 구성도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 일반적인 안테나 시스템에 사용되는 도파관 안테나는, 도파관의 상단에 일정간격을 두고 형성된 직사각 및 기타형상을 갖는 슬롯을 방사부로 적용하고, 다수개의 도파관이 하나의 입력부를 통하여 급전되거나, 개별적인 급전부를 갖는 개별도파관을 동일 평면상에 병렬 배치하여, 방사효과가 발생하도록 하였다.

한편, 도 2는 상기 도 1의 도파관 안테나를 방사부로 적용한 안테나 시스템의 일예이다.

도면에 도시된 바와 같이, 도파관 안테나를 방사부로 적용한 안테나시스템은, 이동체에서의 자유로운 방송 수신 및 통신을 위하여, 다수의 슬롯 방사부를 갖는 도파관 안테나를 이용하여 기계적으로 빔을 제어하는 형태로 개발되어 왔다.

그러나, 이와 같이 기계적으로 빔을 제어하는 이동형 안테나 시스템은, 이동체 내에서 정확하고 신속한 빔 조향에 한계가 있으며, 안테나가 수평하게 배치됨으로서 위성을 조향하기 위하여 위성방향으로 빔을 기울여야하는 설계 상의 부담이 따른다. 이것은 안테나시스템의 구현에 있어서, 전력효율의 저하를 유발하고, 방송 및 통신서비스 품질에도 부정적인 영향을 미치는 문제점이 있다.

본 발명은, 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 배열 안테나를 구성하는 다수의 도파관 안테나에 위성천이기를 포함하는 능동모듈을 적용함으로서, 이동체 내에서 정확하고 신속한 빔 조향과 함께, 배열 안테나를 구성하는 각각의 도파관 안테나를 수평면 상에서 임의의 각도로 기울여 배치하는 소파(Sofa)구조를 적용함으로서, 동일평면상에 배치된 여타의 안테나 시스템에 비하여, 빔이 위성을 조향하도록 설계하는데 따르는 기술적인 어려움을 제거함으로서, 안테나 시스템의 전기적인 품질향상 이외에도, 시스템 설계에 있어서의 편리를 도모할 수 있는 도파관 안테나를 이용한 능동 위상 배열 안테나 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 이동체 내에서 정확하고 신속하게 위성 신호를 추적하고 빔조향을 제어하기 위하여, 다수의 도파관 안테나를 급전하기 위한 급전부와 송수신 능동모듈을 구비하는 도파관 안테나를 이용한 능동 위상 배열 안테나 시스템에 있어서, 상기 송수신 능동모듈은 신호 전력의 위상을 조절하기 위한 위상천이 수단을 포함하되, 상기 다수의 도파관 안테나는 수평면 상에서 소정의 각도만큼 기울어져 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 도파관 안테나를 이용한 능동 위상 배열 안테나 시스템을 제공한다.

상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 도파관 안테나를 이용한 능동 위상 배열 안테나 시스템의 일실시예 구조도이다.

상기 도 3에서는, 본 발명에 대한 보편적인 이해를 위하여, 직사각형 형태의 슬롯(302)을 갖는 일반적인 도파관 슬롯 안테나(301)를 도식하였다. 도면에 나타난 바와 같이, 상기 도파관 안테나(301)는 본 발명의 안테나 시스템에서 단위 배열 안테나로 적용하였으며, 상기 도파관 안테나(301)의 빔이 위성방향을 향하도록 하기 위한 소파(Sofa)구조를 갖는다.

또한, 각각의 도파관 안테나(301)는 입력되는 신호 전력의 위상을 조절하는 기능을 담당하는 송수신 채널용 위상천이기(309, 310)와 송수신 채널용 능동채널블록(311, 312)을 포함하는 송수신 능동모듈(313)이 접속되도록 배치될 수 있다.

또한, 상기 능동모듈(313)은 빔을 성형하고 제어하는 기능을 담당하는 빔 성형 네트워크(Beam Forming Network) 및 제어부(314)로 접속되도록 배치될 수 있다.

도 4는 상기 도 3의 도파관 안테나의 구조를 설명하기 위한 일실시예 측면도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 상기 도파관 안테나(301)는 기본적으로 국내 고정위성의 위치를 지향하도록 하기 위하여, 수평면 상에서 α°만큼 기울어진 소파구조로 되어 있으며, 각각의 도파관 안테나는 이를 고정시키고 모터동작에 의하여 회전하는 회전판(304)의 상단에 배치되어 있다.

도 5는 상기 도 3의 도파관 안테나의 급전부를 설명하기 위한 일실시예 사시도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 상기 도파관 안테나(301)의 급전부(305)는 도파관의 좌우(장축) 중앙에 위치해 있으며, 일예로 도식된 것이다.

도 6은 상기 도 3의 안테나 시스템에서 단위 배열로 사용된 도파관 안테나의 개별적인 위치에 따라서 발생되는 주파수 스캐닝 영향(Frequency Scanning Effect)에 대한 보상 개념을 설명하기 위한 일예시도로서, 6개의 단위 배열로 구성된 경우를 나타낸 것이다.

도면에 도시된 바와 같이, 6개의 단위 배열로 구성된 배열 안테나의 개별 안 테나간의 거리가 d라고 가정하는 경우, 각각의 안테나로 입사되는 전계의 전기적 거리(Electrical length)는 각각 d·sinα만큼의 차이가 발생한다.

이러한 전기적 거리차로 인하여 발생되는 안테나 빔의 왜곡현상을 보상하기 위하여, 그림에 나타나 있는 것과 같이, 입사파의 도달거리의 차를 동축케이블의 길이로 보상할 수 있다.

이때, 동축케이블 내부의 비유전율로 인하여 발생되는 신호의 파장변화를 감안하는 경우, 각각의 도파관 안테나(310)에 대한 신호의 진행거리는 아래와 같은 수학식으로 표현될 수 있다.

여기서,

은 fn번 동축케이블의 전기적 길이를 자유공간(Free-space) 상으로 환산한 거리를 나타내며, nL은 각각의 단위 배열 도파관 안테나로 입사되는 입사파의 도달거리의 차를 나타낸다.

따라서, 각각의 단위 배열 도파관 안테나를 통하여 입력된 입사파의 위상은 각 채널의 동축케이블 종단에서 동일하다고 할 수 있다.

도 7은 상기 도 3의 구조를 갖는 안테나 시스템의 일실시예 평면도로서, 개별 도파관 안테나가 회전축의 상단에 병렬로 위치한 경우를 설명하기 위한 것이다.

도 8은 상기 도 7의 일실시예 측면도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 각각의 도파관 안테나(301)는 중앙에 회전모터(802)를 갖는 회전판(304)의 상단에 위치해 있으며, 각각의 도파관 안테나(301)는 동축케이블(306)을 통하여 송수신 능동모듈(313)과 접속되도록 배치되어 있다.

또한, 각각의 상기 송수신 능동모듈(313)은 상기 빔성형 네트워크 및 제어부(314)로 연결되도록 배치되어 있으며, 본 발명에 따른 안테나 시스템은 고정판(801)을 통하여 목적하는 이동체에 탑재될 수 있다.

도 9는 본 발명에 따른 도파관 안테나를 이용한 능동 위상 배열 안테나 시스템의 앙각 방향에 대한 전자적 빔조향제어를 설명하기 위한 일실시예 개념도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 소파 구조를 갖는 안테나 시스템의 위상천이기가 0도 상태(0-State)를 갖는 경우, 안테나시스템의 빔은 A와 같이 α°를 지향한다.

이때, 각각의 도파관 안테나(301)의 상기 급전부(305)에 위치한 송/수신 위상천이기(309/310)를 통제하여 신호전력의 위상을 조절함으로써, 빔의 조향각을 앙각방향으로 최대 ±Δθ만큼 제어(B)할 수 있음을 설명하고 있다.

도 10은 본 발명에 따른 도파관 안테나를 이용한 능동 위상 배열 안테나 시스템의 방위각 방향에 대한 기계적 빔조향제어를 설명하기 위한 일실시예 개념도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 안테나 시스템과 안테나 빔(C)이 X축을 향하고 있는 상황에서 상기 회전판(304) 중앙에 위치한 회전모터(802)의 구동에 의하여, 안테나 시스템이 회전하게 되고, 이에 따라, 안테나 빔의 조향각이 Δφ만큼 변화(D)하게 되는 것을 알 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기한 바와 같은 본 발명은, 도파관 안테나를 이용하여 급전부에서의 전력손실을 최소화하며, 구조적으로도 견고한 안테나 시스템을 제공할 수 있도록 하는 효과가 있으며, 또한, 위상천이기 및 능동모듈을 적용시킴으로써, 빔의 조향을 완전히 기계식에 의존하는 기존의 시스템 구조를 탈피하는 반(半)전자의 구동방식을 실현하여, 움직임이 활발한 자동차 이외의 해상 및 항공 이동체에서도 정확하고 신속한 빔조향 제어를 수행하고 효율을 높일 수 있도록 하는 효과가 있다.

나아가, 본 발명은 정확하고 신속한 빔조향 제어 및 고효율을 실현하여, 우수한 품질의 통신서비스를 제공할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 이동체 내에서 정확하고 신속하게 위성 신호를 추적하고 빔조향을 제어하기 위하여, 다수의 도파관 안테나를 급전하기 위한 급전부와 송수신 능동모듈을 구비하는 도파관 안테나를 이용한 능동 위상 배열 안테나 시스템에 있어서,

   상기 송수신 능동모듈은 신호 전력의 위상을 조절하기 위한 위상천이 수단을 포함하되,

   상기 다수의 도파관 안테나는 수평면 상에서 소정의 각도만큼 기울어져 배치되어 있는 것

   을 특징으로 하는 도파관 안테나를 이용한 능동 위상 배열 안테나 시스템.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 다수의 도파관 안테나의 하부에 배치되는 회전판을 더 포함하되,

   상기 회전판의 회전에 의해 상기 다수의 도파관이 회전하여 방위각 방향으로 빔조향각을 제어하는 것

   을 특징으로 하는 도파관 안테나를 이용한 능동 위상 배열 안테나 시스템.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 위상천이 수단은,

   상기 신호전력의 위상조절을 통해 앙각방향으로 빔조향각을 제어하는 것

   을 특징으로 하는 도파관 안테나를 이용한 능동 위상 배열 안테나 시스템.

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